電力電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告直流斬波電路的性能研究

1、<p>　　直流斬波電路的性能研究</p><p><b>　?。N典型線路）</b></p><p>　　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(1)熟悉直流斬波電路的工作原理。 (2)熟悉各種直流斬波電路的組成及其工作特點(diǎn)。</p><p>　　(3)了解 PWM 控制與驅(qū)動(dòng)電路的原理及其常用的集成芯片。</p><p>　　二

2、、實(shí)驗(yàn)所需掛件及附件</p><p><b>　　三、實(shí)驗(yàn)線路及原理</b></p><p><b>　　1、主電路</b></p><p>　　①、降壓斬波電路(Buck Chopper)</p><p>　　降壓斬波電路(Buck Chopper)的原理圖及工作波形如圖 4-12 所示。圖中 V

3、 為全控型器件，選 用 IGBT。D 為續(xù)流二極管。由圖 4-12b 中 V 的柵極電壓波形 UGE 可知，當(dāng) V 處于通態(tài)時(shí)，電源 Ui 向負(fù)載供電，UD=Ui。當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)二極管 D 續(xù)流，電壓 UD 近似為零，至一 個(gè)周期 T 結(jié)束，再驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為：</p><p><b>　　U o ?</b></p>&l

4、t;p><b>　　ton</b></p><p><b>　　ton</b></p><p><b>　　t</b></p><p><b>　　U i off</b></p><p><b>　　??ton U</b><

5、;/p><p><b>　　Ti</b></p><p><b>　　??aU i</b></p><p>　　式中 ton 為 V 處于通態(tài)的時(shí)間，toff 為 V 處于斷態(tài)的時(shí)間，T 為開關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比， 簡稱占空比或?qū)ū?α=ton/T)。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值 UO 最大為 Ui，若減小占空 比α

6、，則 UO 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。</p><p><b>　　+CE G</b></p><p><b>　　+ L1</b></p><p><b>　　UGE</b></p><p><b>　　+</b&

7、gt;</p><p><b>　　UD</b></p><p><b>　　ton</b></p><p><b>　　T</b></p><p><b>　　toff</b></p><p><b>　　t</b

8、></p><p>　　UiVDUDC1</p><p><b>　　--</b></p><p>　　R UoUit</p><p><b>　　-UO</b></p><p><b>　　t</b></p>&

9、lt;p>　　(a)電路圖(b)波形圖</p><p>　　圖 4-12 降壓斬波電路的原理圖及波形</p><p>　?、?、升壓斬波電路(Boost Chopper)</p><p>　　升壓斬波電路(Boost Chopper)的原理圖及工作波形如圖 4-13 所示。電路也使用一個(gè)全控型器 件 V。由圖 4-13b 中 V 的柵極電壓波形 UGE 可知，

10、當(dāng) V 處于通態(tài)時(shí)，電源 Ui 向電感 L1 充電，充 電電流基本恒定為 I1,同時(shí)電容 C1 上的電壓向負(fù)載供電，因 C1 值很大，基本保持輸出電壓 UO 為</p><p>　　恒值。設(shè) V 處于通態(tài)的時(shí)間為 ton，此階段電感 L1 上積蓄的能量為 UiI1ton。當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí) Ui 和 L1 共同向電容 C1 充電，并向負(fù)載提供能量。設(shè) V 處于斷態(tài)的時(shí)間為 toff，則在此期間電感 L1 釋放的能

11、量為(UO-Ui) I1ton。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T 內(nèi)電感 L1 積蓄的能量與釋放的能 量相等，即：</p><p>　　UiI1ton=(UO-Ui) I1toff</p><p>　　ton ??toffT</p><p><b>　　U o ?</b></p><p><b>　　to

12、ff</b></p><p><b>　　U i ?</b></p><p><b>　　U i</b></p><p><b>　　toff</b></p><p>　　上式中的 T/toff≥1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。</p&g

13、t;<p><b>　　+I1</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　UiG</b></p><p><b>　　-</b></p><p>　　C - UD</p><p

14、><b>　　D</b></p><p><b>　　V</b></p><p><b>　　E</b></p><p><b>　　++</b></p><p><b>　　C1R Uo</b></p>

15、<p><b>　　-</b></p><p><b>　　UGE</b></p><p><b>　　t</b></p><p><b>　　UD</b></p><p><b>　　t</b></p>&l

16、t;p><b>　　UO</b></p><p><b>　　t</b></p><p>　　(a)電路圖(b)波形圖</p><p>　　圖 4-13 升壓斬波電路的原理圖及波形</p><p>　?、?、升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper)</p><

17、p>　　升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper)的原理圖及工作波形如圖 4-14 所示。電路的基本工作 原理是：當(dāng)可控開關(guān) V 處于通態(tài)時(shí)，電源 Ui 經(jīng) V 向電感 L1 供電使其貯存能量，同時(shí) C1 維持輸 出電壓 UO 基本恒定并向負(fù)載供電。此后，V 關(guān)斷，電感 L1 中貯存的能量向負(fù)載釋放?？梢?負(fù) 載電壓為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。輸出電壓為：</p><p><b>

18、　　U o ?</b></p><p><b>　　ton</b></p><p><b>　　toff</b></p><p><b>　　U i ?</b></p><p><b>　　ton</b></p><p&

19、gt;<b>　　T ??ton</b></p><p><b>　　U i ?</b></p><p><b>　　a U</b></p><p><b>　　1??ai</b></p><p>　　若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也

20、可以比電源電壓低。當(dāng) 0<α<1/2 時(shí)為 降壓，當(dāng) 1/2<α<1 時(shí)為升壓。</p><p><b>　　+CE</b></p><p><b>　　UiVG</b></p><p><b>　　-</b></p><p><b>

21、　　-UD+</b></p><p><b>　　D </b></p><p><b>　　L1C1R</b></p><p><b>　　UGE</b></p><p><b>　　t</b></p><p&g

22、t;<b>　　- UD</b></p><p><b>　　t Uo</b></p><p><b>　　UO</b></p><p><b>　　+t</b></p><p>　　(a)電路圖(b)波形圖</p><p>

23、;　　圖 4-14 升降壓斬波電路的原理圖及波形</p><p>　?、堋uk 斬波電路</p><p>　　Cuk 斬波電路的原理圖如圖 4-15 所示。電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān) V 處于通態(tài)時(shí)， Ui—L1—V 回路和負(fù)載 R—L2—C2—V 回路分別流過電流。當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí)，Ui—L1—C2—D 回 路和負(fù)載 R—L2—D 回路分別流過電流，輸出電壓的極性與電源電壓極性

24、相反。輸出電壓為：</p><p><b>　　U o ?</b></p><p><b>　　ton toff</b></p><p><b>　　Ui ?</b></p><p><b>　　ton</b></p><p>

25、<b>　　T ??ton</b></p><p><b>　　U i ?</b></p><p><b>　　a U</b></p><p><b>　　1 ??ai</b></p><p>　　若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以

26、比電源電壓低。當(dāng) 0<α<1/2 時(shí)為 降壓，當(dāng) 1/2<α<1 時(shí)為升壓。</p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　L1</b></p><p><b>　　UiG</b></p><p><b>　　-<

27、/b></p><p><b>　　CC 2</b></p><p><b>　　VD</b></p><p><b>　　E</b></p><p><b>　　- L2</b></p><p><b>　　C

28、1R Uo</b></p><p><b>　　+</b></p><p>　?、?、Sepic 斬波電路</p><p>　　圖 4-15 Cuk 斬波電路原理圖</p><p>　　Sepic 斬波電路的原理圖如圖 4-16 所示。電路的基本工作原理是：可控開關(guān) V 處于通態(tài)時(shí)， Ui—L1—V 回路和

29、 C2—V—L2 回路同時(shí)導(dǎo)電，L1 和 L2 貯能。當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí)，Ui—L1—C2—D—R 回路及 L2—D—R 回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段 Ui 和 L1 既向 R 供電，同時(shí)也向 C2 充電，C2 貯存的能 量在 V 處于通態(tài)時(shí)向 L2 轉(zhuǎn)移。輸出電壓為：</p><p><b>　　U o ?</b></p><p><b>　　ton</b

30、></p><p><b>　　toff</b></p><p><b>　　Ui ?</b></p><p><b>　　ton</b></p><p><b>　　T ??ton</b></p><p><b>

31、;　　U i ?</b></p><p><b>　　a U</b></p><p><b>　　1 ??ai</b></p><p>　　若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng) 0<α<1/2 時(shí)為 降壓，當(dāng) 1/2<α<1 時(shí)為升壓。</p&

32、gt;<p><b>　　++</b></p><p>　　ULCD </p><p><b>　　1C2</b></p><p><b>　　GV</b></p><p><b>　　E</b></p>&l

33、t;p><b>　　-</b></p><p>　　L2C1R Uo</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖 4-16Sepic 斬波電路原理圖</p><p>　　⑥、Zeta 斬波電路</p><p>　　Zeta 斬波電路的原理圖

34、如圖 4-17 所示。電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān) V 處于通態(tài)時(shí)， 電源 Ui 經(jīng)開關(guān) V 向電感 L1 貯能。當(dāng) V 處于斷態(tài)后，L1 經(jīng) D 與 C2 構(gòu)成振蕩回路，其貯存的能量 轉(zhuǎn)至 C2，至振蕩回路電流過零，L1 上的能量全部轉(zhuǎn)移至 C2 上之后，D 關(guān)斷，C2 經(jīng) L2 向負(fù)載 R</p><p><b>　　a</b></p><p>　　供電。輸出

35、電壓為：Uo ?</p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　Ui</b></p><p><b>　　1??a</b></p><p><b>　　CE</b></p><p><b>　　Ui

36、VGC2</b></p><p><b>　　+</b></p><p><b>　　L2 </b></p><p><b>　　L1DC1</b></p><p><b>　　-</b></p><p>

37、<b>　　R Uo</b></p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖 4-17Zeta 斬波電路原理圖 若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng) 0<α<1/2 時(shí)為</p><p>　　降壓，當(dāng) 1/2<α<1 時(shí)為升壓。</p>

38、<p><b>　　2、控制與驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　控制電路以 SG3525 為核心構(gòu)成，SG3525 為美國 Silicon General 公司生產(chǎn)的專用 PWM 控制 集成電路，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及各引腳功能如圖 4-18 所示，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，內(nèi)部</p><p>　　包含有精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分

39、頻器和保護(hù)電路等。調(diào)節(jié) Ur 的大 小，在 A、B 兩端可輸出兩個(gè)幅度相等、頻率相等、相位相差、占空比可調(diào)的矩形波（即 PWM 信號）。它適用于各開關(guān)電源、斬波器的控制。詳細(xì)的工作原理與性能指標(biāo)可參閱相關(guān)的資料。</p><p><b>　　四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　圖 4-18 SG3525 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與所需的外部組件</p>&l

40、t;p>　　（1）控制與驅(qū)動(dòng)電路的測試</p><p>　?。?）六種直流斬波器的測試 五、思考題</p><p>　　(1)直流斬波電路的工作原理是什么？有哪些結(jié)構(gòu)形式和主要元器件？ (2)為什么在主電路工作時(shí)不能用示波器的雙蹤探頭同時(shí)對兩處波形進(jìn)行觀測？ 六、實(shí)驗(yàn)方法</p><p>　　1、控制與驅(qū)動(dòng)電路的測試</p><p>　

41、　(1)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置電源，開啟 DJK20 控制電路電源開關(guān)。</p><p>　　(2)調(diào)節(jié) PWM 脈寬調(diào)節(jié)電位器改變 Ur，用雙蹤示波器分別觀測 SG3525 的第 11 腳與第 14</p><p>　　腳的波形，觀測輸出 PWM 信號的變化情況，并填入下表。</p><p>　　(3)用示波器分別觀測 A、B 和 PWM 信號的波形，記錄其波形、頻率和幅值

42、，并填入下表。</p><p>　　(4)用雙蹤示波器的兩個(gè)探頭同時(shí)觀測 11 腳和 14 腳的輸出波形，調(diào)節(jié) PWM 脈寬調(diào)節(jié)電位器， 觀測兩路輸出的 PWM 信號，測出兩路信號的相位差，并測出兩路 PWM 信號之間最小的“死區(qū)” 時(shí)間。</p><p>　　2、直流斬波器的測試(使用一個(gè)探頭觀測波形)</p><p>　　斬波電路的輸入直流電壓 Ui 由三相調(diào)壓

43、器輸出的單相交流電經(jīng) DJK20 掛箱上的單相橋式整 流及電容濾波后得到。接通交流電源，觀測 Ui 波形，記錄其平均值(注：本裝置限定直流輸出最 大值為 50V，輸入交流電壓的大小由調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸出)。</p><p>　　按下列實(shí)驗(yàn)步驟依次對六種典型的直流斬波電路進(jìn)行測試。</p><p>　　(1)切斷電源，根據(jù) DJK20 上的主電路圖，利用面板上的元器件連接好相應(yīng)的斬波實(shí)驗(yàn)線路， 并

44、接上電阻負(fù)載，負(fù)載電流最大值限制在 200mA 以內(nèi)。將控制與驅(qū)動(dòng)電路的輸出“V-G”、“V-E” 分別接至 V 的 G 和 E 端。</p><p>　　(2)檢查接線正確，尤其是電解電容的極性是否接反后，接通主電路和控制電路的電源。 (3)用示波器觀測 PWM 信號的波形、UGE 的電壓波形、UCE 的電壓波形及輸出電壓 Uo 和二</p><p>　　極管兩端電壓 UD 的波形，注意

45、各波形間的相位關(guān)系。</p><p>　　(4)調(diào)節(jié) PWM 脈寬調(diào)節(jié)電位器改變 Ur，觀測在不同占空比(α)時(shí)，記錄 Ui、UO 和α的數(shù)值 于下表中，從而畫出 UO=f(α)的關(guān)系曲線。</p><p><b>　　七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告</b></p><p>　　(1)分析圖 4-20 中產(chǎn)生 PWM 信號的工作原理。</p>&l

46、t;p>　　答：PWM信號的工作原理：保持開關(guān)周期T不變，通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton的大小，實(shí)現(xiàn)改變占空比a，從而改變輸出負(fù)載電壓平均值Uo的大小。</p><p>　　(2)整理各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各直流斬波電路的 Ui/UO-α曲線，并作比較與分析。 </p><p>　　降壓斬波電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：</p><p>　　降壓斬波電路的實(shí)驗(yàn)直流斬波電路的 Ui/U

47、O-α曲線</p><p>　　升壓斬波電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：</p><p>　　升壓斬波電路的實(shí)驗(yàn)直流斬波電路的 Ui/UO-α曲線</p><p>　　討論、分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)過程中，保持開關(guān)周期T和輸入電壓Ui的大小不變。調(diào)節(jié)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間ton的大?。锤淖僓r的大?。r與占空比a成正比關(guān)系。<

48、/p><p>　　在示波器中我們可以觀察到，當(dāng)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間ton變大時(shí)（即占空比a增大時(shí)），在輸出電壓中直流電壓表的數(shù)值也隨著增大。</p><p><b>　　八、注意事項(xiàng)</b></p><p>　　(1)在主電路通電后，不能用示波器的兩個(gè)探頭同時(shí)觀測主電路元器件之間的波形，否則會 造成短路。</p><p>　　(2